三維設(shè)計技術(shù)在軋花機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用

■ 何永堂張 霖

〔1恒天重工股份有限公司，河南鄭州450000〕

〔2鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計研究所，河南鄭州450000〕

三維設(shè)計技術(shù)在軋花機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用

■ 何永堂1張 霖2

〔1恒天重工股份有限公司，河南鄭州450000〕

〔2鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計研究所，河南鄭州450000〕

軋花機(jī)三維設(shè)計的應(yīng)用，既提高了設(shè)計效率、設(shè)計質(zhì)量，也大大降低了設(shè)計錯誤率，減少了生產(chǎn)過程中的退返修件的情況，縮短了加工生產(chǎn)周期，有效保證了設(shè)備的按時交貨，確保棉花加工企業(yè)在軋季順利開車加工。

三維設(shè)計；軋花機(jī)

1 概述

棉花加工行業(yè)的特殊性，決定了棉花加工設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)要有快速的市場反應(yīng)機(jī)制，以適應(yīng)棉花加工企業(yè)的季節(jié)性生產(chǎn)要求。軋花機(jī)作為棉花加工生產(chǎn)流程中的核心設(shè)備，在設(shè)計過程中要科學(xué)、合理、快速、高效。結(jié)合當(dāng)前國際國內(nèi)機(jī)械設(shè)計行業(yè)的發(fā)展，三維設(shè)計技術(shù)在軋花設(shè)備中的應(yīng)用成為必然。

2 設(shè)計理念

基于三維設(shè)計軟件的自頂向下設(shè)計是目前機(jī)械行業(yè)內(nèi)一種較為先進(jìn)的手段和方式。自頂向下設(shè)計的設(shè)計思想就是在產(chǎn)品整機(jī)設(shè)計的最初階段，就定位在產(chǎn)品系統(tǒng)構(gòu)成的最高層面來考慮產(chǎn)品的總體設(shè)計和功能性設(shè)計。也就是說在產(chǎn)品設(shè)計之初，針對設(shè)計要求，綜合考慮構(gòu)成產(chǎn)品的各部分間的關(guān)系，在方案設(shè)計時將組成整機(jī)的部件作為系統(tǒng)的一個零件來考慮，確定產(chǎn)品的組成、相互關(guān)系、實(shí)現(xiàn)方式、主要參數(shù)及參數(shù)間的關(guān)系，以此建立所設(shè)計的產(chǎn)品的二維布局圖和三維骨架模型，通過給定的設(shè)計約束條件、關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)等設(shè)計信息，集中地捕捉產(chǎn)品整機(jī)設(shè)計意圖，形成設(shè)計的總體方案，然后在此基礎(chǔ)上分解設(shè)計目標(biāo)給分系統(tǒng)具體實(shí)施，分系統(tǒng)從上級系統(tǒng)獲得某些關(guān)鍵尺寸和定位基準(zhǔn)，并在上級系統(tǒng)確定的邊界內(nèi)開展設(shè)計，最終完成總體性能最優(yōu)的設(shè)計。并能在以后的產(chǎn)品系列化設(shè)計中實(shí)現(xiàn)高效、快速的參數(shù)化設(shè)計。

3 設(shè)計平臺

基于以上理念，在進(jìn)行基于Pro/E的軋花機(jī)三維設(shè)計之初，首先要建立相應(yīng)的基礎(chǔ)技術(shù)環(huán)境，例如：建立基于企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計模板，制訂相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范化規(guī)則，建立標(biāo)準(zhǔn)件庫、通用件庫、配套件庫等相關(guān)典型零件庫。

同時，采用Pro/Intralink作為產(chǎn)品并行設(shè)計平臺，以保證能夠流暢、科學(xué)、有效地開展自頂向下的設(shè)計過程。

4 設(shè)計流程

針對軋花機(jī)，在運(yùn)用Pro/E進(jìn)行自頂向下設(shè)計時，首先要建立軋花機(jī)的總布局，在總布局中進(jìn)行方案設(shè)計，確定產(chǎn)品控制的關(guān)鍵參數(shù)；其次建立軋花機(jī)的組件模型，定義產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并向總布局提出參數(shù)共享聲明；再次建立整體結(jié)構(gòu)的骨架模型，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)的三維規(guī)劃，利用關(guān)系使骨架的相關(guān)尺寸受到所定參數(shù)的控制；然后建立子組件模型，定義部件結(jié)構(gòu)，聲明總布局草圖參數(shù)，同時，建立子組件結(jié)構(gòu)骨架模型，進(jìn)行二級組件結(jié)構(gòu)的三維規(guī)劃；最后，按照所劃分的軋花機(jī)結(jié)構(gòu)展開設(shè)計，建立各部分與總布局中參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系。利用此種方式進(jìn)行的產(chǎn)品設(shè)計可以通過參數(shù)的傳遞來傳達(dá)產(chǎn)品的整體設(shè)計意圖，保證設(shè)計信息的連貫性、正確性和統(tǒng)一性。

1.總布局圖。

根據(jù)軋花機(jī)結(jié)構(gòu)及其功能性特點(diǎn)，綜合考慮軋花機(jī)清花部分和軋花部分，結(jié)合市場需求及軋花機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢，形成軋花機(jī)的設(shè)計方案草圖，即軋花機(jī)布局圖。此布局圖在繪制上不需要所有細(xì)節(jié)都有精確的零件輪廓尺寸及各零部件間的尺寸定位，只是著重表述軋花機(jī)結(jié)構(gòu)方案，只對重要部分進(jìn)行詳細(xì)要求和說明。提煉出需要重點(diǎn)控制的參數(shù)，根據(jù)參數(shù)之間的關(guān)系，建立重要參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式。

2.骨架模型。

依據(jù)以上所做的軋花機(jī)方案布局圖，利用點(diǎn)、線、面、基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)面、坐標(biāo)系等相關(guān)元素建立軋花機(jī)骨架模型。在建立骨架模型過程中，通過布局聲明，繼承布局圖中所定義的參數(shù)，將參數(shù)應(yīng)用到相應(yīng)的模型元素中。從一定意義上說，骨架模型也可以視作為三維的布局方案圖。

3.數(shù)字模型。

布局圖和骨架模型的完成，標(biāo)志著產(chǎn)品第一階段方案的確定和完成。接下來要做的就是設(shè)計工程師依據(jù)設(shè)計負(fù)責(zé)人所完成的布局圖和骨架模型，進(jìn)行詳細(xì)的零部件設(shè)計。

在詳細(xì)設(shè)計之初，首先要通過幾何復(fù)制的方式，將骨架模型中的基準(zhǔn)幾何元素繼承過來，以此做為進(jìn)一步設(shè)計的基準(zhǔn)和依據(jù)。當(dāng)然，也可以通過布局聲明，將布局中的參數(shù)聲明過來，讓這些參數(shù)與所設(shè)計的零部件具體參數(shù)尺寸產(chǎn)生一定的函數(shù)方程關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計參數(shù)的可控性。

5 設(shè)計分析

在三維數(shù)字化設(shè)計模型的基礎(chǔ)之上，對清花部分中的刺釘輥、毛刷輥，軋花部分的鋸軸、肋條等關(guān)鍵部件、關(guān)鍵零件運(yùn)用仿真技術(shù)進(jìn)行分析研究，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)突破，同時也提高了設(shè)計技術(shù)含量。

運(yùn)用Pro/E自頂向下設(shè)計方法建立的軋花機(jī)三維虛擬樣機(jī)完成后，再利用Ansys對機(jī)架、滾筒、刺輥等主關(guān)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析計算；用Gambit建立風(fēng)流場模型；用Fluent對氣體場分布分析研究，分析軋花機(jī)運(yùn)行過程中的氣流運(yùn)行情況；用Pro/E Mechanism進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、力平衡、動力學(xué)分析。

在軋花機(jī)設(shè)計開發(fā)過程中，將分散的零部件設(shè)計和分析技術(shù)糅合在一起，在計算機(jī)上建造出軋花機(jī)的整體模型，并針對軋花機(jī)在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析，達(dá)到了改進(jìn)設(shè)計、提高軋花機(jī)整體性能的目的。

6 設(shè)計輸出

軋花機(jī)設(shè)計完成后，充分利用其三維設(shè)計的優(yōu)勢，在鈑金加工生產(chǎn)線及數(shù)控加工中心上分別進(jìn)行了CAM技術(shù)實(shí)施。

另外，對于那些由傳統(tǒng)加工設(shè)備加工的零件，則仍需繪制出符合國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的二維工程圖。由于三維零件的關(guān)聯(lián)性，在充分保證三維數(shù)字樣機(jī)正確裝配的情況下，轉(zhuǎn)化后的零件尺寸是不會出現(xiàn)尺寸錯誤或變動的。因此，既提高了設(shè)計質(zhì)量又縮短了生產(chǎn)周期。

7 優(yōu)勢分析

軋花機(jī)三維設(shè)計完成后，取得了較好的效果，總結(jié)起來有以下幾大特點(diǎn)。

1.并行設(shè)計平臺的運(yùn)用，為產(chǎn)品設(shè)計提供了一個快速有效的設(shè)計動態(tài)協(xié)作環(huán)境。通過工程數(shù)據(jù)信息的實(shí)時傳遞交流，推動設(shè)計小組的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計過程中方案資源的統(tǒng)一性、設(shè)計信息的共享性和設(shè)計結(jié)果的可控性，減少了設(shè)計錯誤。

2.通過參數(shù)設(shè)定和關(guān)系約束，在對軋花機(jī)改型時可以有效利用現(xiàn)有設(shè)計數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系列化產(chǎn)品的快速改型、改進(jìn)設(shè)計，由此縮短設(shè)計周期，提升設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，規(guī)范化管理設(shè)計數(shù)據(jù)。

3.將產(chǎn)品設(shè)計負(fù)責(zé)人從繁重的零件設(shè)計工作中解脫出來，使設(shè)計負(fù)責(zé)人能夠?qū)⒕χ饕旁诋a(chǎn)品技術(shù)方案的設(shè)計規(guī)劃和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計上，拓展了設(shè)計師的思維。

4.有效簡化了產(chǎn)品相互關(guān)系的管理，簡化了用戶的信息管理工作，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計從概念到設(shè)計和制造等各種階段的管理。

5.革新了原有的圖檔管理工作，以版本控制來管理所有設(shè)計者對其設(shè)計工作所做的變化；實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計過程的信息化管理，通過權(quán)限設(shè)置，防止了無意識或未授權(quán)的修改；設(shè)計完成后，利用Pro/E三維模型和二維工程圖的相關(guān)性功能，在保證三維模型與二維圖紙的一致性的同時也提高了圖檔查詢的效率。

6.更加系統(tǒng)化、科學(xué)化地應(yīng)用公司設(shè)計資源，提高公司技術(shù)水平，使公司更快地適應(yīng)今后市場的發(fā)展要求，提高了企業(yè)敏捷響應(yīng)市場的能力。

8 小結(jié)

軋花機(jī)三維設(shè)計的應(yīng)用，既提高了設(shè)計效率、設(shè)計質(zhì)量，也大大降低了設(shè)計錯誤率，減少了生產(chǎn)過程中的退返修件的情況，縮短了加工生產(chǎn)周期，有效保證了設(shè)備的按時交貨，確保棉花加工企業(yè)軋季的順利開車加工。但是，以上三維技術(shù)的應(yīng)用還比較有限，并沒有完全發(fā)揮三維數(shù)字化設(shè)計的優(yōu)勢，要想真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計，還需要一系列相關(guān)軟硬件的配套，例如相應(yīng)的國家三維機(jī)械設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)CAM的加工設(shè)備的配備，配套件廠家的相應(yīng)技術(shù)等。所以，我們有理由相信，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)字化設(shè)計將會給棉花加工設(shè)備制造企業(yè)帶來革命性的變化。